VSEPR理论与基础杂化

IB 化学 HL· 第2单元：成键与结构模型· 20 分钟阅读

1. VSEPR理论基础★★☆☆☆⏱ 5 min

VSEPR是价层电子对互斥（Valence Shell Electron Pair Repulsion）的缩写。其核心假设是：中心原子周围的价层电子域（电子团）会相互排斥，最终采取使所有电子域总排斥力最小的排布方式。

📘 定义

电子域

中心原子周围电子密度所在的区域，包括单键、双键、三键或孤对电子。多重键仅算作一个电子域。

例:

羰基双键算作1个电子域，而非2个。

📐 例题

亚硫酸根离子 $S O_{3}^{2 -}$ 中，中心硫原子周围有多少个电子域？

1
1. 画出 $S O_{3}^{2 -}$ 的路易斯结构
2
$ext{Lewis structure: } ormalsize{ ext{S}}( ormalsize{=} ext{O})(- ext{O}^-)_2^{2-} ext{ with 1 lone pair on S}$
3
1. 计数电子域：3个成键域（分别连接每个氧原子）加上硫原子上的1对孤对电子。多重键算作一个电子域。
4
1. 电子域总数 = 4

2. 电子域构型与分子几何构型★★★☆☆⏱ 7 min

VSEPR区分两种构型：电子域构型描述所有电子域（成键和孤对）的排布，而分子几何构型仅描述成键原子的排布。命名分子几何构型时不考虑孤对电子。

📐 例题

确定 $N H_{3}$ （氨）的电子域构型、分子几何构型和近似键角。

1
1. 计数中心氮原子周围的电子域：3个N-H键 + 1对孤对电子 = 共4个电子域。
2
1. 4个电子域对应的电子域构型为四面体，理想键角为109.5°。
3
1. 分子几何构型仅计数成键域：3个成键域，1对孤对，对应三角锥形分子几何构型。
4
1. 孤对-成键对的排斥力强于成键对-成键对的排斥力，因此实际H-N-H键角被压缩至约107°，略小于109.5°。

✓ 快速检测

检查你对电子域计数的理解

二氧化碳 $C O_{2}$ 中，中心碳原子周围有多少个电子域？
- 1
- 2
- 3
- 4
显示答案
1 —
正确！每个与氧相连的双键算作一个电子域，因此总共有2个电子域。

3. 基础轨道杂化★★★☆☆⏱ 5 min

VSEPR可以预测分子形状，但无法解释键角为何符合实验观测结果。例如，甲烷中的碳有四个完全相同的键，但基态碳原子只有2个未成对电子可用于成键。杂化通过混合价层原子轨道形成新的、相同的杂化轨道解决了这一问题。

📘 定义

杂化

$s p, s p^{2}, s p^{3}$

不同价层原子轨道（s和p）混合，形成能量相等、排布使排斥力最小的杂化轨道，与VSEPR预测的形状一致。

例:

1个s轨道与3个p轨道混合，形成四个等价的 $s p^{3}$ 杂化轨道。

形成的杂化轨道数目等于参与混合的原子轨道数目。
杂化轨道形成σ（ $σ$ ）键或容纳孤对电子。
未杂化的p轨道在多重键中形成π（ $π$ ）键。

📐 例题

sp杂化的碳原子有多少个未杂化p轨道？

1
1. 碳原子总共有4个价层原子轨道可用于成键：1个s轨道 + 3个p轨道 = 共4个。
2
1. 对于 $s p$ 杂化：1个s轨道 + 1个p轨道混合，形成2个等价的 $s p$ 杂化轨道。
3
1. 减去杂化用到的轨道： $4 - 2 = 2$ 个未杂化p轨道剩余。这些轨道在三键中形成两个π键。

4. 位阻数与杂化的关联★★★☆☆⏱ 3 min

对于中心原子满足八隅体规则的大多数小分子，位阻数（等于中心原子周围的电子域总数）可以直接确定中心原子的杂化类型。

位阻数	杂化类型	电子域构型
2	$s p$	直线形
3	$s p^{2}$	平面三角形
4	$s p^{3}$	四面体形

📐 例题

确定丙炔 $C H_{3} C \equiv C H$ 中三键碳原子的杂化类型。

1
1. 计数三键碳周围的电子域：它连接两个其他原子，一个单键和一个三键。每个键算作一个电子域，因此总共有2个电子域。
2
1. 位阻数2对应 $s p$ 杂化。

5. 常见陷阱

错误做法:

将双键或三键算作多个电子域

原因:

VSEPR将所有多重键算作单个电子域，因为它们都占据两个原子之间同一区域的空间

正确做法:

无论键级如何，单键、双键或三键都算作一个电子域

错误做法:

当题目要求分子形状时，回答电子域构型而非分子几何构型

原因:

考试题目几乎总是要求回答分子几何构型（原子的排布），形状描述不包含孤对电子

正确做法:

务必检查题目要求的是电子域构型还是分子形状，命名分子形状时仅计数成键域

错误做法:

假设所有含4个电子域的分子键角都是精确的109.5°

原因:

孤对电子产生的排斥力大于成键对，会将键角压缩到小于理想值

正确做法:

考虑孤对排斥：存在孤对电子时，预期键角比理想值小约2-3°

错误做法:

根据成键数目而非电子域数目计算杂化类型

原因:

中心原子有3个键和1对孤对电子时，总共有4个电子域，因此是 $s p^{3}$ 杂化，而非 $s p^{2}$

正确做法:

计数所有电子域（键 + 孤对）得到位阻数，再将位阻数对应到杂化类型

6. 速查表

位阻数	杂化类型	电子域构型	分子几何构型	理想键角
2	$s p$	直线形	直线形	180°
3	$s p^{2}$	平面三角形	平面三角形	120°
3 (1 LP)	$s p^{2}$	平面三角形	V形/弯曲形	~117°
4	$s p^{3}$	四面体形	四面体形	109.5°
4 (1 LP)	$s p^{3}$	四面体形	三角锥形	~107°
4 (2 LP)	$s p^{3}$	四面体形	V形/弯曲形	~104.5°

7. 常见问题

电子域构型和分子几何构型有什么区别？

电子域构型计数中心原子周围所有电子域（成键电子对和孤对电子），而分子几何构型仅描述成键原子的三维排布，命名形状时不包含孤对电子。

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · Paper 1
预测二氧化硫的形状
2023 · Paper 2
判断乙烯中的杂化类型
2021 · Paper 1
亚硫酸根离子的VSEPR计数

深入阅读

Official documentIB Chemistry Data Booklet 2025绘制路易斯结构时可用于查找电负性参考值

下一步

VSEPR和基础杂化是后续所有分子结构与成键研究的基础。将这些概念拓展到富八隅体分子（中心原子周围超过4个电子域），你就可以预测 $P C l_{5}$ 和 $S F_{6}$ 这类化合物的形状，这类分子成键需要d轨道参与。理解杂化也能直接帮助你学习有机分子中的σ键和π键，解释烯烃的性质，包括双键的旋转受限。这些概念也是理解分子间作用力和共价化合物物理性质的核心，而这些性质强烈依赖于分子极性和形状。